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Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch eine optische Prüfvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13. Weiter betrifft die Erfindung ein Prüfsystem und eine Prüfsystemanordnung mit einem Gleisabschnitt und dem Prüfsystem. Die Erfindung betrifft auch ein Steuermodul, das ausgebildet ist zur Ausführung des Verfahrens zur optisch-abtastenden Prüfung einer Radlauffläche eines Rades eines Zuges im Fahrbetrieb.
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Laufräder an Schienenfahrzeugen sind im Fahrbetrieb ständig Beanspruchungen ausgesetzt, die einen zunehmenden Verschleiß zur Folge haben. Dieser zeigt sich an den Laufrädern insbesondere durch geometrische Veränderungen am Profil, am Durchmesser und in Verschleißerscheinungen an der Lauffläche selbst. Diese können sich in Unrundheiten aufgrund von Abflachungen und Polygonzugbildung oder in Rissen und Ausbrüchen an der Lauffläche zeigen.
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Für Betreiber von Schienenfahrzeugen stellen diese Verschleißerscheinungen selbst sowie die fehlende Kenntnis des Verschleißzustands und der weiteren Verschleißentwicklung ein Problem dar. Hieraus ergeben sich Beeinträchtigungen der Sicherheit der Fahrzeuge und des Betriebs, Komfortminderungen durch störende Fahrgeräusche und Vibrationen, Umweltschädigungen durch Lärmemission entlang der Stecke, Betriebsstörungen durch ungeplante Ausfälle, erhöhte Aufwendungen für Inspektion und Wartung, die von erheblicher wirtschaftlicher Bedeutung für den Betreiber sind.
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Aus diesem Grund müssen die Zustände der Laufräder in vorgegebenen Intervallen inspiziert werden. Das geschieht normalerweise derart, dass die Züge für eine Routineuntersuchung über einer Grube positioniert werden, so dass die Prüfperson unter dem Zug hindurchgehen und die Verschleißteile in Augenschein nehmen kann.
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Zur Überwachung der Räder, wie Radlaufprofil und Raddurchmesser, werden die Radsätze in der Regel im ein- und ausgebauten Zustand taktil vermessen und visuell beurteilt. Je nach Messergebnis werden die Räder ausgesondert, reprofiliert oder unbearbeitet wieder eingesetzt. Die Einführung von Hochgeschwindigkeitszügen erforderte sehr kurze Inspektionsintervalle. Beim ICE wird z. B. nach etwa 13.000 Kilometern Laufleistung eine Sicherheitsinspektion durchgeführt; das entspricht einem vergleichsweise langem Zeitraum von zehn Einsatztagen, was einen zusätzlichen nicht unerheblichen Kostenaufwand mit sich bringt. Bei häufig erforderlichen Untersuchungen ist es notwendig, dass die Inspektion eines Zuges in möglichst kurzer Zeit erfolgt.
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Bekannt ist ein robustes berührungsloses optisches Systeme zur Erfassung und Vermessung von Radlaufprofilen und Raddurchmessern entwickelt, dass für den Einsatz im Überfahrbetrieb unter freiem Himmel konzipiert ist. Die Erfassung des Radlaufprofils und des Raddurchmessers geschieht mit Hilfe des Laserlichtschnittverfahrens. Für diese Messaufgabe wurde ein spezielles Sensorsystem entwickelt, das der Geometrie des Rades in besonderer Weise gerecht wird. Die Messung wird durch einen Triggerimpuls ausgelöst, der die optimale Position des Rades zum Sensor signalisiert. Aus dem Profilverlauf werden anschließend radzustandsbeschreibende Parameter wie Spurkranzhöhe, Spurkranzdicke, Quer- und Spurmaß ermittelt. Außerdem ermöglicht das bekannte System die Bestimmung des Radabstandes. Diese Daten werden dem jeweiligen Radsatz des entsprechenden Zuges zugeordnet, mit Datum und Uhrzeit ergänzt, protokolliert und in einer Diagnosedatenbank gespeichert. Ein ähnliches System ist als Radsatz Diagnosesystem Typ ARGUS aus einer Broschüre der Firma Hegenscheidt -MFD GmbH & Co KG bekannt.
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Zur vollständigen Inspektion von Eisenbahnrädern im Überfahrbetrieb gehört neben der Radprofilvermessung, Durchmesser- und Rundheitsbestimmung (ganz oder teilweise noch taktil gemessen) auch die Beurteilung der Beschaffenheit der Radlaufoberflächen. Bisher wurden hierfür spezielle Ultraschallsensoren verwendet wie sie beispielsweise aus
US 5,654,510 bekannt sind. Ultraschallsensoren induzieren dabei während der Überfahrt einer Radachse einen Ultraschallimpuls in das Rad und aus dem Echosignal der umlaufenden Ultraschallwelle werden gewisse Informationen über die vorhandenen Oberflächenrisse und Beschädigungen bereitgestellt. Die Aussagefähigkeit der Echosignale hinsichtlich der Oberflächendefekte nimmt in der Regel mit dem Alter der Räder aufgrund des steigenden Hintergrundrauschens ab, so dass eine sichere Erkennung von Schadstellen immer schwieriger und unsicherer wird. Letztlich schaut man sich die Räder an, um ein Urteil über deren Zustand treffen zu können.
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Wünschenswert ist ein auf einem anderen physikalischen Prinzip arbeitendes verlässliches Prüfsystem für diese Aufgabe.
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Bekannt ist aus
EP 0 212 052 A2 eine optische Einrichtung zur Vermessung von im Fahrzeug eingebauten Rädern von Radsätzen bei Schienenfahrzeugen, wobei in einem Gleis ein bestimmter Messabschnitt vorgesehen ist, so dass innerhalb des Messabschnitts mindestens eine Durchmessererfassungseinrichtung und eine Profilerfassungseinrichtung angeordnet werden, wobei entlang des Messabschnitts gemessen wird, indem abhängig von einer Radiusmessung eine Anzahl üblicher optischer Scanner aus unterschiedlichen Radialrichtungen und zu einem getriggerten Zeitpunkt an einer Anzahl von Umfangslinien entsprechend den Radialrichtungen die Radlauffläche scannen. Es ist möglich die Scanner mit dem Rad zu bewegen. Eine Genauigkeit der Radlaufflächenvermessung bei einem solchen System ist jedoch abhängig von der Genauigkeit einer Kenntnis des Radumfangs als auch der Bewegungsgenauigkeit der Scanner. In dieser Hinsicht ist dieses System unzulänglich.
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Aus
EP 0 228 500 A2 ist ein optisches Prüfsystem bekannt, bei dem ein entlang einer Messabschnitt bewegtes Rad mindesten in einer definierten Messposition mindestens angenähert radial von mindestens einer Beleuchtungseinrichtung, die einen Lichtschnitt oder eine Lichtkante auf der Umfangsfläche des Rades erzeugt, während der Bewegung entlang der Messabschnitt beleuchtet wird, wobei sich das durch die Beleuchtung ergebende Profilbild von mindestens einer Kamera erfasst und an einer Auswerteeinrichtung zur Auswertung zugeleitet wird. Zur Durchführung ist eine Hilfsschiene erforderlich, die die Erzeugung eines Lichtschnitts oder einer Lichtkante an der Lauffläche erlaubt. Die Beleuchtung der Lauffläche erfolgt wiederum aus einer bestimmten Radialrichtung, d. h. in einer Richtung durch einen Messpunkt an der Radlauffläche und dem Mittelpunkt des Rades. Es ist möglich, an dem vom radialen Lichtstrahl am Messpunkt erzeugten Lichtschnitt oder Lichtkante umliegenden Bereich eine schnelle Mehrfach-Messung in einem genügend kleinen Messabschnitt vorzunehmen. Dadurch entsteht im Rechner eine anwachsende und danach wieder abfallende Profilkontur. Da die Geschwindigkeit der hintereinander folgenden Aufnahmen bekannt ist und ebenfalls bekannt ist, dass das zu messende Rad eine Kreiskontur hat, die auf der Bewegungsebene entlang des Messabschnitt bewegt wird, ist auch das zu erwartende Anwachsen der zunächst verzerrten Profilkontur bekannt. Es kann danach auch festgestellt werden, ob mit einer Aufnahme der genaue Höchstpunkt getroffen wurde oder ob unmittelbar vor und unmittelbar nach dem Höchstpunkt jeweils eine Aufnahme gemacht wurde.
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Eine solche Vorgehensweise vermag nicht die lediglich linienförmige Vermessung einer Lauffläche eines Rades zu erweitern, da diese begrenzt ist durch die Schärfentiefe einer Abtastoptik, welche im Wesentlichen von Beugungsphänomena und der Wahl einer Blendengröße abhängig ist. Auch ist wiederum in Anbetracht der erforderlichen Genauigkeit einer Radlaufflächenprüfung die Vorgabe eines Raddurchmessers zu ungenau.
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Wünschenswert ist es, ein hinsichtlich Messabschnitt der Radlauffläche, insbesondere Messgenauigkeit verbessertes Verfahren und Vorrichtung zur optischen-abtastenden Prüfung einer Radlauffläche eines Rades eines Zuges im Fahrbetrieb anzugeben.
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An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mittels der die Radlauffläche eines Rades eines Zuges im Fahrbetrieb optisch-abtastend geprüft werden kann über einen wesentlichen Umfangsanteil der Radlauffläche. Insbesondere soll die Genauigkeit eines Verfahrens und einer Vorrichtung verbessert sein, insbesondere weitgehend unabhängig von anderen Messvorgaben bzw. Messwerten des Rades; insbesondere unabhängig von einer Durchmesserangabe für das Rad. Insbesondere soll das Verfahren und die Vorrichtung ausgebildet sein eine Prüfung einer Radlauffläche eines Rades eines Zuges in Fahrbetrieb rein optisch vornehmen und auf optischer Basis auswerten zu können.
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Die Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens wird durch ein Verfahren der eingangsgenannten Art gelöst, bei dem erfindungsgemäß auch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 vorgesehen sind.
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Die Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung wird durch eine optische Prüfvorrichtung der eingangsgenannten Art gelöst, bei der erfindungsgemäß auch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 12 vorgesehen sind.
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Das Konzept der Erfindung geht aus von einem Ansatz zur optisch-abtastenden Prüfung einer Radlauffläche eines Rades eines Zuges im Fahrbetrieb, insbesondere im Überfahrbetrieb, wobei das drehende Rad in Kontakt mit einer Schiene in Schienenrichtung translatorisch bewegt wird. Dabei ist vorgesehen:
- – Ausrichten einer Tastrichtung einer Abtastoptik an einer ortsfesten Sicht-Position in einer Abtast-Perspektive auf eine vom Kontakt Radlauf umfänglich beabstandete Abtas-Position auf der Radlauffläche,
- – optisches Abtasten der Abtast-Position bei sich an der Abtast-Position abwickelnder Radluffläche während sich das Rad dreht, wobei die sich abwickelnde Radlauffläche in der Abtastoptik optisch signalerfasst wird. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass
- – zum schienennahen Ausrichten der Tastrichtung eine schienennahe, insbesondere raumfeste, Abtast-Perspektive um einen spitzen Kippwinkel gekippt ist zu einer an der Abtast-Position in Schienenrichtung verlängerten Radsekante und
- – zum optischen Abtasten und/oder Signalerfassen eine Fokusdistanz der Abtastoptik auf die Abtast-Position nachgeführt wird, während des Messabstand zwischen Sicht-Position und Abtast-Position im Wesentlichen um den Wert der sich abwickelnden Radlauffläche verändert wird, derart,
- – ein Umfangsanteil der Radlauffläche als abwickelte Radlauffläche abtastend erfasst wird, dessen Länge deutlich größer ist als eine Schärfentiefe der Abtastoptik.
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Das Konzept der Erfindung geht aus von der Überlegung, dass mit geeigneter Ausrichtung einer Tastrichtung der Abtastoptik auf eine vom Kontakt am Radlauf umfänglich beabstandete Abtast-Position auf der Radlauffläche eine Sicht auf die Radlauffläche abtastbar ist, die weitgehend unabhängig von der Position des Rades für einen Abtastvorgang zur Verfügung steht. Vorteilhaft ist das Konzept damit nicht eingeschränkt auf genau einen Messort, so dass damit grundsätzlich die Möglichkeit eröffnet wird, einen wesentlichen Umfangsteil der Radlauffläche als abgewickelte Radlauffläche abtastend zu erfassen. Die Erfindung hat erkannt, dass sich zur Umsetzung eine schienennahe Ausrichtung der Abtastrichtung eignet, wobei eine schienennahe, insbesondere raumfeste, Abtast-Perspektive um einen spitzen Kippwinkel gekippt ist zu einer an der Abtast-Position in Schienenrichtung verlängerten Radsekante. Anders ausgedrückt sieht das Konzept der Erfindung eher eine entlang der Schiene verwirklichte Zentral-Perspektive vor, die auf den freien Raum der Radlauffläche zwischen Kontakt zur Schiene und oberer Begrenzung durch den Zug gerichtet ist; eine radiale Tastrichtung, wie sie im Stand der Technik vorgeschlagen wird, hat sich nach dem Konzept der Erfindung als nicht vorteilhaft zum Erfassen eines wesentlichen Umfangsteils der Radlauffläche erwiesen.
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Darüber hinaus geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass sich eine abwickelnde Radlauffläche in der Abtastoptik optisch signalerfassen lässt. Erfindungsgemäß ist dazu vorgesehen, dass eine Fokusdistanz der Abtastoptik auf die Abtast-Position nachgeführt wird, während der Messabstand zwischen Sicht-Position und Abtast-Position im Wesentliche um den Wert der sich abwickelnden Radlauffläche verändert wird. Insbesondere kann dazu vorgesehen sein, dass sich die Fokusdistanz wie der Messabstand entlang der Abtast-Perspektive mit einem Wert der abgewickelten Radlauffläche ändert. Aufgrund der Anpassung der Fokusdistanz ist es möglich, eine abgewickelte Radlauffläche abtastend zu erfassen, dessen Länge wesentlich größer ist als eine Schärfentiefe der Abtastoptik. Vielmehr wird eine Schärfentiefe der Abtastoptik nunmehr zweckgemäß eingesetzt, nämlich um einen ausreichenden Bereich um eine Umfangslinie bei der gewählten Abtast-Perspektive möglichst genau zu erfassen. Somit ermöglicht es das Konzept der Erfindung, nicht nur einen wesentlichen Umfangsanteil der Radlauffläche als abgewickelte Radlauffläche abtastend zu erfassen, sondern darüber hinaus auch eine erhebliche Genauigkeitsverbesserung; die Auswertung der optisch-abtastenden Prüfung kann praktisch auf rein optischer Basis erfolgen.
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Das Konzept der Erfindung führt auch auf ein Prüfsystem gemäß Anspruch 16, das an einem Gleis mit wenigstens einer Prüfvorrichtung der vorgenannten Art eingepasst ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dazu kann ein geeigneter Messabschnitt am Gleis vorgesehen sein. Vorteilhaft zeigt sich, dass der Messabschnitt ohne eine spezielle Ausbildung einer Schiene auskommt. Vielmehr zeigt sich, dass eine Schiene von der Art einer außerhalb des Messabschnitts einsetzbaren gewöhnlichen Schiene auch im Messabschnitt verwendet werden kann.
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Das Konzept der Erfindung führt auch auf eine Prüfsystemanordnung nach Anspruch 21 mit einem Gleisabschnitt und dem Prüfsystem, wobei der Kontakt des drehenden Rades auf der Schiene im Wesentlichen eine Kontaktlinie zur Schiene ausbildet, die mit Radmitte eine Kontaktebene aufspannt. Erfindungsgemäß ist bei der Prüfsystemanordnung vorgesehen, dass in einem zur Messung ausgelegten Messabschnitt des Gleisabschnitts eine Sicht-Position nur vor der Kontaktebene oder eine Sicht-Position nur hinter der Kontaktebene liegt. Anders ausgedrückt, sieht die Prüfsystemanordnung vor, dass ein auf die Abtastoptik nur zufahrendes Rad oder ein von der Abtastoptik nur wegfahrendes Rad durch optische Abtastung geprüft wird. Der Messabschnitt einer Abtastoptik liegt also in einem Bereich zwischen Kontakt und der Abtastoptik in Tastrichtung; also in Tastrichtung gegen die Fahrtrichtung des Rades oder in Fahrtrichtung des Rades. Der Messbetrieb ist vorteilhaft auf einen Zeitraum beschränkt, indem das Rad, d. h. die Abtast-Position von der Sicht-Position beabstandet ist. Je größer der Mindestabstand zwischen Sicht-Position und Abtast-Position ist, desto größer ist eine Parallaxe-Veränderung in Folge des Kippwinkels. Der Messbetrieb erstreckt sich insbesondere nicht auf eine Beabstandung von Abtast-Position und Sicht-Position entlang des Radradius. Das Konzept umfasst aber die Möglichkeit, dass zwei Abtastoptiken vorgesehen sind, von denen die eine, eine Sicht-Position nur vor der Kontaktebene und die andere eine Sicht-Position nur hinter der Kontaktebene hat. Insbesondere umfasst das Konzept, dass sich eine oder mehrere Abtastvorrichtungen je nach Bedarf ergänzen zum Erfassen eines wesentlichen Umfangsanteils der Radlauffläche, z. B. indem diese unterschiedliche Umfangsanteile erfassen oder je nach Bedarf Messungen des gleichen Umfangsanteils redundant durchgeführt werden, um die Verlässlichkeit und/oder Genauigkeit der optisch-abtastenden Prüfung zu erhöhen.
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Auf Basis des Konzepts der Erfindung lässt sich im Rahmen von Weiterbildungen ein vielversprechendes Sensorsystem zur Erkennung von unterschiedlichen Oberflächenfehlern als ein im Gleisbett integriertes optisches System angeben, das zudem in der Zeichnung beispielhaft erläutert ist. Das weitergebildete System wickelt, mit Hilfe von Zeilenkameras und geeigneter Beleuchtung die Lauffläche des Rades optisch abtastend ab, und untersucht sie mit Methoden der Bildverarbeitung auf sichtbare Fehler hin und kann aussagekräftige Daten über die Beschaffenheit der Radlaufflächen liefern. Für die optische Inspektion von Radlaufflächen im Überfahrbetrieb werden mehrere Zeilenkameras benötigt, deren Anzahl von der Art des Verwendeten Objektives und dem Verhältnis Achsabstand/Radumfang abhängt. Nach der Untersuchung und der Bewertung der Vorund Nachteile von beweglichen und feststehenden Sensorsystemen stellte sich ein Lösungsansatz als optimal heraus, der mit einigen wenigen feststehenden Kameras auskommt, deren Objektive über intelligente schnelle Fokussteuerung verfügen. Mit dem Einsatz von Autofokusobjektiven und der Fähigkeit, sie entsprechend der aktuellen Position des sich bewegenden Rades rechnergesteuert synchron zu fokussieren, ist es gelungen, die Gesamtanzahl der für die Abtastung aller vier Räder eines Drehgestells erforderlichen Kameras auf vier zu begrenzen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
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Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass ein wesentlicher Umfangsanteil einen 1/n-Anteil des Umfangs der Radlauffläche ausmacht, wobei n in einem Bereich zwischen 1.0 und 6.0 liegt. Es lässt sich somit ein von der Ausgestaltung der Abtastoptik weitgehend unabhängig und nur von äußeren Faktoren beschränkter wesentlicher Umfangsanteil der Radlauffläche bestimmen. Wie groß ein wesentlicher zu bestimmender Umfangsanteil sein soll, kann somit weitgehend frei bestimmbar sein.
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Insbesondere eignet sich das Verfahren zur optischen-abtastenden Prüfung des gesamten Umfangs der Radlauffläche. Dazu kann es je nach äußeren Rand- und Platzbedingungen vorteilhaft sein, mit einer Prüfvorrichtung nur einen wesentlichen Umfangsteil der Radlauffläche zu bestimmen, beispielsweise wenn der Gesamtumfang eines Rades größer ist als ein Radstand des Zugteils. In dem Fall kann beispielsweise mit einer Prüfvorrichtung nur die optisch-abtastende Prüfung eines Bruchteils des Umfangsanteils, beispielsweise 1/6, 1/5, 1/4 oder dergleichen vorgesehen sein. Es können dann in dem Fall sechs, fünf, vier oder eine sonstige Anzahl von Prüfvorrichtungen vorgesehen sein, um einen ganzen Umfang einer Radlauffläche optisch-abtastend zu prüfen. Grundsätzlich ist es dabei vorteilhaft, dass die Anzahl der Prüfvorrichtungen zur Bestimmung einer ganzen Radlauffläche möglichst gering gehalten wird. Insbesondere hat sich die Erfassung eines wesentlichen Umfangsanteils eines Drittels bzw. einer Hälfte der Radlauffläche unter Einsatz von drei bzw. zwei Prüfvorrichtungen als vorteilhaft erwiesen für den Fall, dass der Radstand geringer sein sollte als ein Gesamtumfang eines Rades.
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Insbesondere hat sich ein weitergebildetes Prüfsystem als vorteilhaft erwiesen, bei dem wenigstens eine vordere Prüfvorrichtung entlang der Schiene vor wenigstens einer hinteren Prüfvorrichtung angeordnet ist und die vordere Prüfvorrichtung zum Abtasten eines ersten wesentlichen Umfangsanteils der Radlauffläche ausgebildet ist, dessen Länge deutlich größer ist als eine Schärfentiefe der Abtastoptik und die hintere Prüfvorrichtung zum Abtasten eines zweiten wesentlichen Umfangsanteils der Radlauffläche ausgebildet ist, dessen Länge deutlich größer ist als eine Schärfentiefe der Abtastoptik.
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Das Prüfsystem kann vorteilhaft ausgebildet sein, um eine Abtastung derart zu triggern, dass wenigstens der erste und zweite Umfangsteil nahtlos oder überlappend aneinander reihbar sind zur Bildung einer bildlichen Wiedergabe einer Gesamtabtastung einer vollen Radlauffläche. Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass genau ein erster und genau ein zweiter Umfangsteil nahtlos aneinander reihbar sind. Für den Fall, dass eine gesamte Radlauffläche erfasst werden soll, kann der erste bzw. der zweite Umfangsanteil eine erste bzw. eine zweite Hälfte der Radlauffläche ausmachen. Insbesondere hat sich eine Beabstandung der vorderen und der hinteren Prüfvorrichtung als vorteilhaft erwiesen, wobei der Abstand in einem Bereich zwischen 1 m bis 5 m liegt. Eine Reihenanordnung von zwei Prüfvorrichtungen an einem Gleis, ggf. und bei Bedarf auch drei oder vier oder mehr kann damit genutzt werden, um auch bei kurzem Radstand im Vergleich zum Umfang der Radlauffläche eine vollumfängliche Prüfung mittels einer durch optisches Abtasten generierten Abbildung der Radlauffläche zu ermöglichen.
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Das Prüfsystem kann vorteilhaft auch ein Paar oder mehrere Paare – insbesondere zu vorgenannte Zwecken – von Prüfvorrichtungen aufweisen, wobei eine erste Prüfvorrichtung des Paares einem ersten Gleis und eine zweite Prüfvorrichtung des Paares einem zweiten Gleis der Gleisanlage zugeordnet ist, derart, dass zwei Räder der einen Achse des Zuges gleichzeitig optisch prüfbar sind.
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Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung – und im Rahmen der Zeichnung beispielhaft beschriebenen Ausführungsform – weist das Prüfsystem vier Prüfvorrichtungen in Form von zwei Paaren, wobei ein erstes Paar zur Aufnahme einer ersten Hälfte der Radlaufflächen zweier Achsräder und das zweite dahinter angeordnete Paar von Prüfvorrichtungen zur optischen Abtastung der zweiten Umlauffläche der Achsräder dient.
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Ein solches Prüfsystem oder andere Anordnungen von Prüfvorrichtungen lässt sich besonderes vorteilhaft auf einem Träger montieren, der zwischen zwei Gleisen einer Prüfsystemanordnung angeordnet ist. Vorteilhaft ist dazu eine Querabmessung des Trägers geringer als ein Gleisabstand zweier Gleise, wobei die Sicht-Position der Abtastoptik außerhalb eines sogenannten Freiraumprofils des Rades liegt. Unter einem Freiraumprofil eines Rades wird ein Raum um ein Rad verstanden, der frei von Hindernissen sein sollte, um einen ausreichenden Freilauf des Rades bei Fahrbetrieb zu ermöglichen.
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Im Rahmen einer besonders bevorzugten und in der Ausführungsform näher erläuterten Weiterbildung hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass die Sicht-Position in einem Bereich von bis zu 20 cm unterhalb des Kontakts zur Schiene liegt, vorzugsweise bis zu 10 cm unterhalb des Kontakts. Zusätzlich oder alternativ hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass eine Abtast-Position in einem Bereich von bis zu 10 cm, vorzugsweise 5 cm, über dem Kontakt der Schiene liegt. Anders ausgedrückt, insbesondere bezogen auf die Abtast-Position, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass ein Höhenunterschied zwischen Abtast-Position und Sicht-Position in einem Bereich unterhalb von 30 cm, insbesondere unterhalb eines Bereichs von 15 cm, besonders vorteilhaft unterhalb eines Bereichs von 10 cm liegt. Insbesondere hat es sich darüber hinaus als vorteilhaft erwiesen, dass ein seitlicher Abstand der Sicht-Position in einem Bereich von bis zu 20 cm seitlich einer Schiene liegt.
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Insbesondere haben sich die vorgenannten Bereiche als vorteilhaft zur Ausbildung eines spitzen Kippwinkels für die schienennahe raumfeste Abtast-Perspektive erwiesen; insbesondere bei einem Abstand der Sicht-Position zur Abtast-Position entlang der Schiene im Bereich zwischen 5 m und 1 m oder 1,5 m.
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Insbesondere ist eine Tastsignalachse und Signalachse der Abtastoptik in einer Rückreflexionsgeometrie zur Tastrichtung vorteilhaft. Insbesondere ist dabei ein Rückreflexionsraumwinkel um die Abtast-Perspektive geringer als 45°.
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Besonders vorteilhaft ist die Abtast-Perspektive – relativ zur Schiene und vom Rad aus gesehen – seitlich und nach unten gekippt. Insbesondere liegt der spitze Kippwinkel unterhalb von 45°. Vorteilhaft lässt sich eine solche Wahl einer Abtast-Perspektive mittels einer vorgenannte besonders bevorzugten Sicht-Position vom Kontakt in Schienenrichtung beabstandet sowie seitlich der Schiene (links oder rechts) und unterhalb des Kontakts (also unterhalb der Schienenoberfläche) erreichen. Insbesondere weist ein Kippwinkel zu einer Radsekante einen vertikal gebildeten Steigwinkel und einen zur Radsekante horizontal gebildeten Seitenwinkel auf, wobei der Steigwinkel und der Seitenwinkel jeweils ein spitzer Winkel, insbesondere ein spitzer Winkel unter 45° ist.
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Die Wahl einer ortsfesten Abtast-Perspektive aus einer ortsfesten Sicht-Position hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da dies die Zuverlässigkeit des Verfahrens und einer optischen Prüfvorrichtung erhöht. Bei ortsfester Abtast-Perspektive erübrigen sich nämlich drehende oder sonstige Gelenkteile an der Prüfvorrichtung. Selbst unter widrigen Prüfumständen und auch im Hinblick auf lange Standzeiten kann eine Prüfvorrichtung zuverlässig angebracht werden und ist vergleichsweise wartungsfrei in Bezug auf die Anbringung. Insbesondere sind etwaige Fehler durch unbeabsichtigte Verrückung einer Prüfvorrichtung ausgeschlossen.
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Gleichwohl kann in einer alternativen Weiterbildung auch vorgesehen sein, dass bei ortsfester Sicht-Position eine Abtast-Perspektive veränderlich ist. Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass eine Abtast-Perspektive winkelveränderlich ist, mit der sich ändernden Distanz zwischen Abtast-Position und Sicht-Position. Denkbar ist grundsätzlich, dass die Abtast-Perspektive, insbesondere mit veränderlichem Kippwinkel, vorzugsweise mit veränderlichem Seitenwinkel zum Kippwinkel, einer Abtast-Position am Rad folgt, wenn die Abtast-Position mit dem Rad seine Position verändert. Diese Maßnahme könnte dazu genutzt werden, dass eine Aufweitung eines Abtaststrahls oder dergleichen Strahlenbündel aus der Abtastoptik vergleichsweise gering gehalten werden kann und dennoch eine vergleichsweise große Messstrecke vor der Sicht-Position zur Verfügung steht; nämlich dadurch, dass insbesondere ein Seitenwinkel als Funktion einer Abtast-Position mitgeführt wird, insbesondere in einem synchronisiertem Takt zur Abtastrate und/oder Zählrate.
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In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung kann auch ein Kippwinkel der Abtast-Perspektive in Bezug auf einen Steigwinkel nachgeführt werden, um beispielsweise eine vertikal gemessene Abtasthöhe zwischen Sicht-Position und Abtast-Position auch mit sich veränderndem Abstand zwischen den beiden Positionen konstant zu halten. Grundsätzlich besteht diese Möglichkeit auch in Kombination mit der vorgenannten Weiterbildung eines veränderbaren Seitenwinkels der Prüfvorrichtung an der Sicht-Position. Entsprechende Dreh-, Schwenk- oder Kippmittel können an der Prüfvorrichtung vorgesehen sein, um einen Kippwinkel als Funktion eines Abstandes zwischen Abtast-Position und Sicht-Position zu ändern, insbesondere getaktet zu ändern mit einer Zählrate und/oder Taktrate einer Messwertaufnahme und/oder Nachführung einer Fokusdistanz.
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Im Weiteren hat sich aus Zuverlässigkeits- und Stabilitätsgründen eine ortsfeste Sicht-Position in Kombination mit einer ortsfesten Abtast-Perspektive als vorteilhaft erwiesen.
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Die Wahl der Ausrichtung einer Tastrichtung – d. h. die Wahl der ortsfesten Sicht-Position, der Abtast-Position und der insbesondere orstfesten und raumfesten Abtast-Perspektive – lässt sich je nach Bedarf auf die Umstände eines zu prüfenden Rades am Zug sowie den räumlichen Gegebenheiten im Umfeld des Rades anpassen. Aufgrund der Perspektive ergibt sich zunächst eine in etwa trapezförmige Verzerrung, deren Grad von den genannten Abständen der Sicht- und Abtast-Position sowie dem Kippwinkel der Abtast-Perspektive abhängt. Solche und andere Entzerrungen berücksichtigende Kalibrierung und/oder Entzerrung kann auf Basis der erfassten Bilder vorgenommen werden. Vorteilhaft können solche Kalibrierungen und/oder Entzerrungen elektronisch realisiert werden. Eine elektronische Realisierung kann auch mit einer Kontrastverstärkung oder dergleichen bildlichen Mitteln kombiniert werden, um vorhandene Defekte an der Radlauffläche zu verdeutlichen. Insbesondere hat es sich dazu als vorteilhaft erwiesen, ein bildgebendes Modul bei der Prüfvorrichtung geeignet auszubilden.
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Die vorteilhaft ortsfeste – genauer raumfeste – Abtast-Perspektive impliziert bei translatorischer Bewegung des Rades, dass sich eine vertikal gemessen Abtasthöhe zwischen Sicht-Position und Abtast-Position mit sich veränderndem Abstand, d. h. mit sich veränderndem Abstand zwischen Sicht-Position und Abtast-Position, verändert. Vorteilhaft kann eine solche Abstandsveränderung im Rahmen einer Kalibrierung und/oder Entzerrung von Abtastsignalen berücksichtig werden. Insbesondere ist ein vorgenanntes bildgebendes Modul dazu ausgebildet, solche und andere translatorische Effekte in einem Bild der Radlauffläche zu entzerren.
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Darüber hinaus hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass solche und andere, hier allgemein als Parallaxeänderung bezeichnete Änderungen aufgrund der Abtast-Perspektive – sei es durch Änderung einer grundsätzlichen möglichen Änderung der Sicht-Position und/oder des Kippwinkels (und damit auch ggfs. einer Abtast-Perspektive) oder der Abtast-Position – ebenfalls im Rahmen einer Kalibrierung und/oder Entzerrung der Bilder berücksichtigt werden. Bei einem vorgenannten, besonders bevorzugten Prüfsystem mit z. B. bei der Ausführungsform vorgesehenen vier Prüfvorrichtungen könnte die Parallaxeänderung bei jeder der vier Prüfvorrichtungen unterschiedlich sein, je nach Wahl des Kippwinkels sowie der Sicht- und Abtast-Position in Bezug auf das jeweilige Gleis. Ein Rechenmodul ist insbesondere ausgebildet, Parallaxeänderungen in Bezug auf unterschiedliche Prüfvorrichtungen im Rahmen einer Kalibrierung zu korrigieren und/oder im Rahmen einer Bildbearbeitung zu entzerren.
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Grundsätzlich hat es sich als vorteilhaft erwiesen, diese und andere Parallaxeänderungen im Rahmen einer Fehlerkorrektur vorzunehmen, da sich die Rahmenbedingungen, wie überraschend erkannt, zum einen in einer für die Messung nur wenig maßgeblichen Weise ändern und zum anderen in einem korrigierbaren Ausmaß bleiben. So ist eine Variabilität der Abtasthöhe in einem Bereich von nicht mehr als 20 % der maximalen Abtasthöhe, insbesondere liegt diese in einem Bereich zwischen nicht mehr als 1 cm bis 2cm.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass das Rad mit einer Fahrgeschwindigkeit in einer praktisch gleichförmigen Bewegung translatorisch bewegt wird. Ein Fahrgeschwindigkeitswert liegt dabei in einem Bereich vorteilhaft zwischen größer Null und 50 km/h mit einer Varianz von nicht mehr als +/–10 km/h. Grundsätzlich eignen sich auch Geschwindigkeiten über 50 km/h, z. B. bis zu 100 km/h. Insbesondere hat sich gezeigt, dass jedenfalls für eine Prüfung auf Defekte eine messgenaue Konstanz einer Fahrgeschwindigkeit nicht notwendiger Weise erforderlich ist, obgleich sinnvoll. Grundsätzlich hat sich aber gezeigt, dass das Verfahren und die Vorrichtung gemäß dem Konzept der Erfindung im Rahmen der vorgenannten Weiterbildung ohne Genauigkeitseinbuße funktioniert. Zuträglich dabei ist, dass ein sich bei einem gewissen Fahrgeschwindigkeitswert über einen Messabschnitt von bis zu 10 m nicht wesentlich ändert aufgrund der hohen Trägheit des Zuges. Selbst bei einem moderaten Brems- oder Beschleunigungsvorgang hat sich das Konzept der Erfindung als ausreichend stabil und genau erwiesen.
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Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Prüfvorrichtung ist eine Eingangssensorik vorgesehen, die dem eigentlichen Messabschnitt örtlich gegen die Fahrrichtung vorgelagert ist. Die Eingangssensorik ist insbesondere ausgebildet, das Eintreten der Abtast-Position in einen Messabschnitt anzuzeigen und eine Fahrgeschwindigkeit zu ermitteln. Vorteilhaft wird die Messsensorik durch eine Anzahl von Wegund/oder Positionssensoren realisiert. Vorteilhaft dient die Eingangssensorik auch, insbesondere mit wenigsten zwei Weg- oder Positionssensoren, zur Messung einer Fahrgeschwindigkeit. Vorteilhaft ist darüber hinaus eine Steuereinrichtung ausgebildet mit einer Eingangssensorik verbunden zu werden. Dies bietet die Möglichkeit, die abhängig von einer Fahrgeschwindigkeit und daraus ermittelbare örtliche Positionierung der translatorischen Bewegung des Rades über den Messabschnitt, das optische Abtasten über einen Zähler zu triggern, der auf einen zu erfassenden Anteil der Radlauffläche ausgelegt ist. Anders ausgedrückt, kann der Trigger örtlich und zeitlich die Messpositionen der Abtast-Positionen über den Messabschnitt zählen und takten sowie den Beginn der abtastenden Prüfung triggern. Eine gesamte Messtrecke kann mehrere Messabschnitte umfassen, wobei jeweils ein Messabschnitt einer Prüfvorrichtung bzw. einem Paar von Prüfvorrichtungen zugeordnet ist. Ein Messabschnitt hat dabei in etwa eine Länge, die bei oder über dem wesentlichen Umfangsanteil einer Radlauffläche liegt. Auf einer Messtrecke mit einem oder mehreren Messabschnitten kann ein ganzer Umfang einer Radlauffläche automatisch erfasst werden.
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Vorteilhaft triggert eine Eingangssensorik dazu einen oder mehrere einen Synchrontakt vorgebenden Zähler, der auf einen zu erfassenden Anteil der Radlauffläche und einem zugeordneten Messabschnitt ausgelegt ist. Eine Zähleramplitude des Zählers kann dabei auf eine Anzahl von Zeilen eines Zeilenspeichers entsprechend ausgelegt sein. So lässt sich vorteilhaft für jeden Zählzeitpunkt genau eine Zeile des Zeilenspeichers füllen. Vorteilhaft kann in die Zeile des Zeilenspeichers ein linienartiger Umfangssektor der Radlauffläche, d. h. die Streusignale desselben an der Abtast-Position, eingespeichert werden. Ein geeigneter Zähltakt ist vorteilhaft umgekehrt proportional zum Quotienten aus der Strecke des zu erfassenden Umfangsanteils der Radlauffläche einerseits und der Anzahl von Zeilen anderseits, insbesondere proportional zur Fahrgeschwindigkeit des Rades. Insbesondere eignet sich zur Bestimmung des Zähltaktes eine Fahrgeschwindigkeit des Rades am Eingangssensor.
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Im Rahmen des Verfahrens hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass zum Abtasten eines wesentlichen Umfangsteils der Radlauffläche Breitenprofile an einer Sequenz von Umfangspositionen des Umfangsteils sequenziell über die abwickelnde Radlauffläche abgetastet wird. Insbesondere ist dazu vorgesehen, dass ein optisches Streusignal von einem Tastsignal von einem linienartigen Umfangssektor auf der Radlauffläche an der Abtas-Position erfasst wird. Die Prüfvorrichtung weist dazu vorteilhaft eine Abtastoptik mit einem optischen Tastsignalgeber und einem optischen Sensor auf, wobei der optische Tastsignalgeber ausgebildet ist, optische Tastsignale entlang einer Tastsignalachse an die Abtast-Position zu geben und wobei der optische Sensor ausgebildet ist, an der Abtast-Position entlang einer Signalachse gestreute Tastsignale als Streusignale zu erfassen. Vorteilhaft sind der optische Tastsignalgeber und der optische Sensor derart angeordnet, dass eine Tastsignalachse und eine Signalachse der Abtastoptik in eine Rückreflexionsgeometrie zur Tastrichtung liegen. Eine Rückreflexionsgeometrie hat sich insbesondere hinsichtlich der Signalausbeute als besonders vorteilhaft erwiesen. Auch sind die mechanisch bedingten Störungen einer Signalerfassung in einer Rückreflexionsgeometrie vergleichsweise gering. So hat es sich als möglich erwiesen, eine Prüfvorrichtung und insbesondere eine Anzahl von Prüfvorrichtung zur Bildung eines Prüfsystems auf einem gemeinsamen Rahmen oder Platte oder dergleichen Träger stabil zu befestigen. Vorteilhaft ist, eine Prüfvorrichtung des Prüfsystems auf einem Träger montiert, der zwischen zwei Gleisen angeordnet ist und eine Querabmessung des Trägers geringer als ein Gleisabstand zweier Gleise ist, wobei die Sicht-Position außerhalb eines Freiraumprofiles des Rades liegt.
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Insbesondere ist die Sicht-Position in einem Bereich von bis zu 20 cm unterhalb des Kontakts zur Schiene, vorzugsweise bis zu 10 cm unterhalb des Kontakts und eine Abtast-Position in einem Bereich von bis zu 10 cm, vorzugsweise 5 cm, über dem Kontakt zur Schiene.
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Besonders vorteilhaft ist die Schiene von der Art einer außerhalb des Messabschnitts einsetzbaren gewöhnlichen Schiene.
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Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass das Nachführen einer Fokusdistanz der Abtastoptik gesteuert wird. Eine Steuerung hat sich als besonders schnell erwiesen, so dass eine Fokusdistanz ohne Probleme über einen Messabschnitt von 1 m bis 5 m oder bis zu 10 m nachführbar ist. Zwar erweisen sich auch schnelle Autofokus-Systeme herkömmlicher Art mit geeigneter schneller Regelung oder dergleichen als grundsätzlich geeignet. Jedoch hat sich gezeigt, dass ein gesteuertes Vorgeben und Nachführen einer Fokusdistanz der Abtastoptik zum einen schneller, zum anderen aber auch unkomplizierter und einer verlässlichen Messung zuträglich ist. Besonders vorteilhaft lassen sich Fokusdistanzen unter variabler aber fester Vorgabe von Fokuswerten in einem Nachführtakt vorteilhaft vorgeben. Der Nachführtakt ist insbesondere synchronisiert mit einer Taktung der Abtastung.
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Eine Steuereinrichtung weist im Rahmen einer Weiterbildung ein Weggebermodul für die Ausrichtung der Tastrichtung, ein Abtastmodul zur Vorgabe des Tasttaktes und ein Optikmodul zum Nachführen der Fokusdistanz sowie ein geeignetes Rechen-, Zählerund Trägermodul auf, um die Messung zeitlich zu koordinieren, d. h. zu triggern, zu takten und die Fokusdistanz synchronisiert nachzuführen. Die Steuereinrichtung ist bevorzugt mit einer Eingangssensorik, wie eingangs erläutert, verbunden. Die Steuereinrichtung weist vorteilhaft auch eine Schnittstelle zu einem bildgebenden Modul auf. In dem bildgebenden Modul und/oder der Steuereinrichtung ist eine korrekturfähige Kalibirierung und/oder Entzerrmodul zur Umsetzung einer Kalibrierung und/oder bildlichen Entzerrung der gelieferten Abtastdaten.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung im Vergleich zum Stand der Technik, welcher zum Teil ebenfalls dargestellt ist, beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in' der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und·beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte Offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
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1 eine perspektivische Darstellung einer Messanordnung von Schiene, Rad und Prüfvorrichtung zur optisch abtastenden Prüfung einer Radlauffläche eines Rades eines Zuges im Fahrbetrieb in einer bestimmten Messsituation unter Darstellung der Tastrichtung und einer Abtastoptik in Abtast-Perspektive bei einer ortsfesten Sicht-Position und unter Darstellung einer Abtast-Position auf der Radlauffläche;
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2 die Messsituation der 1 in einer seitlichen perspektivischen Ansicht, d. h. nicht aus der Abtast-Perspektive – in Ansicht (A) etwa seitlich auf Höhe des Gleises und in Ansicht (B) als Draufsicht;
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3 eine Darstellung einer besonders bevorzugten Ausführungsform einer Prüfvorrichtung mit einer Abtastoptik mit optischem Tastsignalgeber und optischem Sensor sowie einer Steuereinrichtung und einem Richt- und Positioniersystem für die Abtastoptik;
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4 ein Ablaufdiagramm zur Darstellung eines grundsätzlichen Verfahrensablaufs zur optisch abtastenden Prüfung einer Radlauffläche eines Rades eines Zuges im Fahrbetrieb gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
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5 eine erläuternde Grafik zum Ablaufdiagramm der 4 unter Darstellung des Prinzips einer Fokusnachführung;
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6 eine besonders bevorzugte Ausführungsform einer Prüfsystemanordnung mit einem Prüfsystem an einem Gleisabschnitt, wobei das Prüfsystem vorliegend vier Aufnahmemodule in Form von Prüfvorrichtungen der 3 mit weitgehend identischer Bauart umfasst;
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7 eine beispielhafte bildgebende Darstellung eines Ausschnitts aus einem Streifenbild einer vollen Radlauffläche eines Rades eines Zuges; in Ansicht I eine nach translatorischer und perspektivischer Korrektur gewonnene Bilddarstellung – in Ansicht II eine kontrastverbesserte Darstellung der Ansicht I – in Ansicht III eine schwarz-weiß Darstellung von Defektstellen wie sie aus Ansicht I gewonnen wurde – in Ansicht IV ein vergrößerter Ausschnitt aus Ansicht III.
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1 zeigt – hier mit teilweiser Bezugnahme bereits auf 2 – beispielhaft eine optische Prüfvorrichtung 100 mit einer Abtastoptik 10 umfassend einen optischen Tastsignalgeber 20 sowie einen optischen Sensor 30. Die Abtastoptik ist auf einem Richtsystem 40 angeordnet, dass in Kombination mit einem in 6 gezeigtem Positioniersystem 50 ausgebildet sind, die Prüfvorrichtung 100 mit der Abtastoptik 10 in geeigneter Weise relativ zu einer Schiene 200 zu positionieren und auszurichten. 1 zeigt die Prüfvorrichtung 100 in Fahrtrichtung F des Rades 300, die vor einem Kontakt K der 2 positioniert ist. Der Kontakt K ist im Wesentlichen als eine Kontaktlinie KL zur Schienenoberfläche 201 ausgebildet – bei weiterer Bewegung des Rades 300 ergibt sich dann der Kontakt K‘ mit der Kontaktlinie KL‘ wie er im Vordergrund gezeigt ist. Mit der Radmitte 301 bzw. der Radachse 302 bildet die gezeigte Kontaktlinie K eine Kontaktebene KE, die sich im Verlaufe der Messung in einen zur Messung ausgelegten Messabschnitt M der 2(B) hineinbewegt – d.h. hier bis zur Kontaktlinie KL‘. Vorliegend ist die Abtastoptik 10 an einer ortsfesten Sicht-Position SP angeordnet zum optischen Abtasten einer Abtast-Position AP, die sich mit der Kontaktebene KE in dem Messabschnitt M in Fahrtrichtung F und entsprechender Fahrgeschwindigkeit in einer praktisch gleichförmigen Bewegung translatorisch bewegt. Die Fahrgeschwindigkeit ist vorliegend diejenige eines Zuges im freien Lauf ohne nennenswerte Beschleunigung oder Abbremsung; d. h. in Folge seiner Trägheit praktisch gleichförmig. Eine Fahrgeschwindigkeit beträgt bei der vorliegenden Ausführungsform in Fahrtrichtung F etwa 15 km/h, wobei eine Varianz von nicht mehr als ±2 km/h gegeben ist. Grundsätzlich kann eine Fahrgeschwindigkeit auch wesentlich größer oder wesentlich kleiner sein. Grundsätzlich kann auch eine Varianz wesentlich größer sein, ohne dass das Messergebnis nennenswert beeinträchtigt wäre.
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Die Abtast-Position AP ist wie in 1 gezeigt auf der Radlauffläche 303 von dem Kontakt K radlaufumfänglich um den Wert ka beabstandet. Die Abtast-Position AP hat damit eine vertikal-gemessene Abtasthöhe hKA, die auch als Scann-Position über der Schienenoberkante 201 mit 3 cm bis 4 cm angegeben werden kann; die Abtasthöhe hSA zwischen Sicht-Position SP und Abtast-Position AP liegt dann etwa bei 5 cm bis 10 cm. Während der Messung bewegt sich die Kontaktebene KE vom Kontakt K am Eingang des Messabschnitts M zum Kontakt K’ kurz vor der Sicht-Position SP am Ende des Messabschnitts für die Prüfvorrichtung 100. Dabei nimmt die Abtasthöhe hKA zwischen Kontakt K bzw. K’ und der jeweiligen Abtast-Position AP wie in 1 gezeigt entlang einer abnehmenden Rampe, die der Linie bei hKA folgt, ab. Dies ergibt sich aufgrund der ortsfest stehenden Abtast-Perspektive 1 entlang der Tastrichtung R der Abtastoptik 10 an der ortsfesten Sicht-Position SP. Die Abtast-Perspektive 1 umfasst als zentrale Achse die Tastrichtung R und die geometrisch aufgeweitete Strahlaufweitungsbreite B eines Tastsignals S vom Tastsignalgeber 20. Der optische Tastsignalgeber 20 – hier eine Laserlichtquelle mit Linienoptik – ist, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel, allgemein ausgebildet, optische Tastsignale – hier ein Laserlichtsignal – entlang einer Tastsignalachse an die Abtast-Position AP zu geben. Der optische Sensor 30 – hier eine Zeilenkamera mit Objektiv und Autofokusvorrichtung – ist ausgebildet, an der Abtast-Position AP entlang einer Signalachse gestreute Tastsignale als Streusignal zu erfassen – hier also sämtlich Laserlichttastsignale und daraus resultierende Lichtstreusignale –. Der optische Tastsignalgeber 20 und der optische Sensor 30 sind, wie 1 und 2 bereits erkennen lassen, so angeordnet, dass eine Tastsignalachse und eine Signalachse in einer Rückreflexionsgeometrie auf die geometrische Entfernung eines Messabschnitts M praktisch zur Tastrichtung 1 zusammenfallen. Vor diesem Hintergrund lässt sich die Abtastoptik 10 grundsätzlich unter Bezug auf die Abtast-Perspektive 1 und die Tastrichtung R sowie die durch die Linienoptik, beispielsweise eine Zylinderlinse oder dergleichen, erreichte Strahlaufweitungsbreite B beschreiben. Die Rückreflexionsgeometrie hat den Vorteil, dass die Lichtausbeute bei Oberflächenbeschädigung vergleichsweise hoch ist. Außerdem ist bei der Rückreflexionsgeometrie eine Fehlerrate und Verzerrung aufgrund des spitzen Kippwinkels φ der Abtastoptik 10 zur Schiene 200 vergleichsweise gering. Damit fallen die hier so bezeichneten Parallaxe-Veränderungen, die sich vor allem in dem beschriebenen Verhalten der Abtasthöhe hKA und einer leicht trapezförmigen Verzerrung eines Bildes der Radlauffläche 303 äußern, vergleichsweise gering aus.
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Die Strahlaufweitungsbreite B der Abtastoptik 10 ist vorliegend über den Messabschnitt M – hier etwa 150 cm – so ausgeführt, dass er zum Abtasten eines Breitenprofils 304 auf der Radlauffläche 303 an der Abtast-Position AP geeignet ist. Mit anderen Worten ist die Strahlaufweitungsbreite B eines optischen Tastsignals S an jeder Abtast-Position AP im Messabschnitt M ausreichend groß, um über die Radlauffläche 303 – wie in 1 und 2(B) ersichtlich – deutlich hinausragt. Damit wird sichergestellt, dass die gesamte Breite 305 der Radlauffläche 303 ein Signal zur Bestimmung eines kompletten Breitenprofils 304 der Radlauffläche 303 liefert.
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Zum Abtasten eines wesentlichen Umfangsteils der Radlauffläche 303 werden gemäß dem Konzept der Erfindung bei der vorliegenden Ausführungsform Breitenprofile an einer Sequenz von Umfangspositionen UP des Umfangsanteils sequentiell über die abwickelnde Radlauffläche aR abgetastet. Die optische Abtastoptik 10 erfasst somit ein optisches Streusignal von einem Tastsignal an einem in etwa linienartigen Umfangssektor der Umfangsposition UP auf der Radlauffläche 303 abhängig von der gegenwärtigen Abtast-Position AP. So wird die Abtast-Position AP, wie sie in 2(A) ersichtlich ist, bei Fortbewegung des Rades 300 in Fahrtrichtung F in etwa an der Stelle K’’ mit der Umfangsposition UP der 2(A) zusammenfallen, so dass an der Umfangsposition UP eine Abtastung im Messabschnitt M kurz vor dem Kontakt K’’ stattfindet. Vorliegend beträgt der Messabschnitt M zwischen Abtast-Position AP bei Kontakt K und Sicht-Position SP, d. h. praktisch Kontakt K’, in etwa dem halben Radumfang ½U bzw. etwas mehr als ½U.
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Der in 1 dargestellte spitze Kippwinkel φ ist im Wesentlichen ein Raumwinkel der sich zusammensetzt aus einem in 2(B) ersichtlichem Seitenwinkel β und einem in 2(A) angedeuteten Steigwinkel α. Alle Winkel liegen deutlich unterhalb von 45° und über den gesamten Messabschnitt M, wobei die Gradzahl von einem Kontakt K zu einem Kontakt K’ aufgrund der ortsfesten Abtast-Perspektive 1 unverändert bleibt. Die sich daraus ergebende Parallaxe-Veränderung in den sichtbaren Abmessungen der sich abwickelnden Radlauffläche aR an der Abtast-Position AP lassen sich leicht im Rahmen einer geeigneten Kalibrierung bzw. Bildkorrektur richtig stellen, welche die veränderliche Höhe hKA bzw. hSA der Abtast-Position AP und ansonsten die durch die schräge Aufsicht erzeugte trapezförmige Verzerrung berücksichtigt.
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Eine Fokusdistanz 2 der Abtastoptik 10, d. h. insbesondere eine Fokusdistanz 2 eines Objektivs des optischen Sensors wird entlang des Messabschnitts M abhängig von der Zeit in Fahrtrichtung F, d. h. abhängig von einer Geschwindigkeit des Rades 300 ,auf die Abtast-Position AP – also in etwa um ka vor der Kontaktebene KE – nachgeführt. Dies, während der Messabstand dM auf dem Messabschnitt M zwischen Sicht-Position SP und Abtast-Position AP im Wesentlichen um den Wert der sich abwinkelnden Radlauffläche aR – also beispielsweise abhängig vom Wert aR zwischen Kontakt K und Umfangsposition UP – verändert wird. Beim Durchfahren des gesamten Messabschnitts M entspricht die abgewickelte Radlauffläche aR dem halben Umfang ½U der Radlauffläche 303. Im Einzelnen wird dazu die Fokusdistanz 2 der Abtastoptik 10 gesteuert unter variabler aber fester Vorgabe von Fokuswerten FW gemäß dem Wert dM – in 2(B) z. B. für den Kontakt K – entsprechend der abgewickelten Radlauffläche aR zur Umfangsposition UP der 2(A).
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Eine optische Abtastoptik 10 mit vorerwähntem Tastsignalgeber 20 und optischem Sensor 30 ist in 3 gezeigt zusammen mit dem vorerwähnten Richtsystem 40 als Teil eines Positioniersystems 50 der 6. Im Einzelnen besteht die Abtastoptik aus drei Funktionsgruppen, nämlich der Funktionsgruppe Optik zu der auch der Tastsignalgeber 20 und der optische Sensor 30 gehört, der Funktionsgruppe Elektromechanik, wozu das Richt- und Positioniersystem 40, 50 gehört und der Funktionsgruppe Elektronik, die im Wesentlichen eine Steuereinrichtung sowie Bildspeichermittel umfassen, die zum Aufnehmen von Signalwerten für ein Umfangsanteil ½U der Radlauffläche 303 als abtastend erfasste abgewickelte Radlauffläche aR ausgebildet sind, dessen Länge deutlich größer ist als eine Schärfentiefe der Abtastoptik 10 ist. Die Schärfentiefe der Abtastoptik 10 ist vielmehr auf einen Bereich kurz vor und kurz hinter der Abtast-Position AP beschränkt, um eine möglichst hohe Auflösung an der Radlauffläche 303 an der Abtast-Position AP zu erreichen. Die Abtastoptik 10 ist vorliegend als Teil eines Bild-Aufnahmemoduls gebildet und in einem nicht näher dargestellten Gehäuse über einer Grundplatte 41 wie sie in 6 gezeigt ist untergebracht; dort ist das Gehäuse mit einer Frontplatte 42 und einer Haube 43 gebildet, wobei die Grundplatte 41 auf einer Schwenkplatte 49 montiert ist.
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Der optische Sensor 30 ist vorliegend mit einer Zeilenkamera 31 gebildet, der ein elektronisch fokusierbares Teleobjektiv 32 über einen Objektivadapter 33 vorgeschaltet ist, wobei der Objektivadapter 33 auch zur elektrischen Steuerung des Objektives 32 ausgebildet ist. Der Objektivadapter kann bei Vorgabe von geeignetem Fokuswerten FW entsprechend der Fokusdistanz 2 beispielsweise Blende und Fokus des Objektives 32 ändern. Dazu kann als weiterer Teil einer Fokusführung ein Schrittmotor in dem Objektivadapter 33 oder an diesem angeschlossen vorgesehen sein. Der Hub der Fokusführung umfasst im Wesentlichen ein der abgewickelten Radlauffläche aR äquivalentes Maß. Die Fokussierung muss dabei nicht notwendiger Weise über eine Wegverstellung des Teleobjektives 32 erfolgen, sondern kann gegebenenfalls zusätzlich über alternativ auch elektronisch umgesetzt sein. Die optischen Achsen des Tastsignalgebers 20 mit auch als Kamera bezeichnetem optischen Sensor – hier Laser 21 mit Linienoptik 22 – sind mit Hilfe einer Befestigungsplatte 44, einem Objektivhalter 45 und einer Lasergrundplatte 46 bezogen auf eine Grundplatte 41 als Teil des Richt- und Positioniersystems 40 umsetzbar. Die Kamerabefestigungsplatte, Objektivhalter und die Laser-Grundplatte 41 werden bezogen auf die Grundplatte 41 derart auf einer Höhe eingestellt, dass sich ein vom Laser 21 linienförmig und waagerecht beleuchteter Objektpunkt auf dem ebenso waagerecht verlaufenden Zeilensensor genau abbildet; d. h. eine Rückreflexionsgeometrie bildet.
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Die Funktionsgruppe Elektrik besteht zur Darstellung einer Steuereinrichtung 60 hauptsächlich aus einer mit Steuerelektronik bestückten Platine 61 der Steuereinrichtung 60, die einerseits die Zeilenkamera 31 und über eine geeignete Schnittstelle 62 eine Rechnerelektronik ankoppelt. Außerdem wird die Zeilenkamera 31, der Laser und der Objektivadapter 33 mit Strom versorgt. Außerdem wird die Kommunikation zwischen dem Bild-Aufnahmemodul, d. h. der Abtastoptik 10, und einem Rechner über die Schnittstelle 62 besorgt. Wenigsten eine Schnittstelle 63 ist zur Anbindung an eine Peripherie vorgesehen. Der Rechner kann ein Steuer und Auswertemodul enthalten, das die Steuereinrichtung 60 unterstützt. Insbesondere umfasst die Steuereinrichtung 60 auch ein hier nicht näher dargestelltes Bildauswertemodul, das Verzerrungen und Kalibrierungen der oben erläuterten Art umsetzen kann, als auch eine Bildbearbeitung durchführen kann zur besseren Auswertung bei der Erkennung von Defekten an der Radlauffläche 303.
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Die Funktionsgruppe Elektromechanik besteht im Wesentlichen aus einem Hubmagneten 71, der während der Bildaufnahme mit Strom durchflossen wird und einen Eisenkern 72 magnetisch anzieht, so dass dieser mit Hilfe der Hebelmechanik 73 die Schutzklappe 74 öffnet und dadurch den Blick der Kamera und des Lasers durch die Schutzfilter 34 für das Objektiv 32 und 24 für den Laser nach Außen frei gibt. Zum Richt- und Positioniersystem 40, 50 gehört auch eine erste und zweite Stellschiene 47.1, 47.2 zur Einstellung der Neigung der Abtastoptik 10 als auch eine Anzahl von Langlöchern 48.1, 48.2, 48 zum schwenken der Abtastoptik 10. Diese letzteren sind in einer Schwenkplatte 49 des Richtsystems 40 eingelassen und greifen in geeignete Bolzen 52 auf einer Tragplatte 51 des Positioniersystems 50, wobei die Tragplatte 51 positionierverstellbar auf einem Tragrahmen 54 mit Führsystem 53 des Positioniersystems 50 angebracht ist (6).
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Grundsätzlich erlaubt es das oben beispielhaft erläuterte Konzept, dass ein optischer Sensor, z. B. in einer Kamera einer einzigen Abtastoptik 10 der 3, das heran rollende Rad 300 innerhalb einer eingestellten Aufnahmestrecke vollständig optisch abtasten und mittels automatischen Fokussierens die Bildschärfeebene synchron zu Radposition mitziehen kann.
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Die Radachsen 302 der Schienenfahrzeuge sind in der Regel paarweise in einem sogenannten Drehgestell integriert. Der Achsabstand im Drehgestell ist von der Art des Schienenfahrzeugs abhängig; er beträgt normalerweise zwischen 150 cm bis 250 cm. Die zu scannende Radlaufoberfläche (Radumfang = Raddurchmesser × PI) ist bei fast allen Drehgestell-Varianten länger als der Achsabstand des Drehgestells. Sollte ein optischer Sensor z. B. in einer Kamera einer Abtastoptik das heran rollende Rad innerhalb ihrer eingestellten Aufnahmestrecke vollständig optisch abtasten und mittels automatischen Fokussierens die Bildschärfeebene synchron zu Radposition mitziehen, so würde allerdings in den meisten Fällen die zweite Radachse des Drehgestells in die Strecke der Abtast-Perspektive in der eingestellten Tastrichtung hinein rollen, während die Kamera noch mit dem optischen Abtasten der sich abwickelnden Radlauffläche des ersten Rades beschäftigt ist.
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Es ist daher im Rahmen eines anhand von 4 bis 6 beispielhaft näher erläuterten Konzepts eines Prüfsystems vorgesehen, dass wenigstens eine vordere Prüfvorrichtung entlang der Schiene vor wenigstens einer hinteren Prüfvorrichtung angeordnet ist. Die vordere Prüfvorrichtung ist zum Abtasten eines ersten wesentlichen Umfangsanteils der Radlaufläche ausgebildet, dessen Länge – vorliegend einer erste Hälfte des Umfangs der Radlaufläche – deutlich größer ist als eine Schärfentiefe der Abtastoptik. Die hintere Prüfvorrichtung ist zum Abtasten eines zweiten wesentlichen Umfangsanteils der Radlaufläche ausgebildet ist, dessen Länge – vorliegend einer zweiten Hälfte des Umfangs der Radlaufläche – deutlich größer ist als eine Schärfentiefe der Abtastoptik.
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Vorliegend sind konkret für jede Zug-Seite zwei Prüfvorrichtungen mit jeweils einer Abtastoptik in Form eines Bildaufnahmemoduls vorgesehen, wobei eine hintere Abtastoptik mit einem Abstand vom halben maximalen Radumfang hinter einer vorderen Abtastoptik angeordnet ist. Jede Kamera eines Bildaufnahmemoduls tastet nur die Hälfte des Radumfanges; sie hat danach genügend Zeit, ihre Schärfeebene zum Startpunkt ihrer Astraststrecke zurückzufahren und dort auf das Eintreffen des nächsten Rades zu warten.
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Grundsätzlich ist das zugrundliegende Verfahrenskonzept in seinem Ablauf in 4 gezeigt und in 5 schematisch erläutert.
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4 zeigt im Rahmen eines Ablaufschemas die grundsätzliche Funktionsweise eines optisch-abtastenden Prüfverfahrens für eine Radlauffläche 303, insbesondere unter Verwendung einer Prüfvorrichtung der 3 oder einer Anzahl von solchen Prüfvorrichtungen. Nach Aktivierung der Prüfanordnung 1000, wie sie in 6 gezeigt ist, in einem Schritt S1 wird in einem Schritt S2 mit der Eingangssensorik 80 der Eintritt und die Position des Rades 300 in den Messabschnitt M angezeigt und gleichzeitig die Geschwindigkeit V des Rades 300 bestimmt. In einem Schritt S3 wird über die Geschwindigkeit und die Position des Rades dessen Weg in dem Messabschnitt M vorbestimmt. Dadurch wird in Abstimmung mit dem Zeilenspeicherbereich eines Zeilenspeichers der Zeilenkamera 31 eine Zählrate vorgegeben, welche letztendlich insbesondere die Taktrate 1/v einer Abtastrate und einer Fokusnachführrate bestimmt. Die Taktrate 1/v und die Zählrate sind vorliegend proportional zu der Radgeschwindigkeit; also im Wesentlichen proportional zur Fahrgeschwindigkeit des Zuges. In einem Schritt S4 wird gemäß dem vorliegenden Konzept ein erster Zähler Z1 getriggert zur Betätigung eines gesteuerten Autofokusbetriebs des Objektivs einer ersten Abtastoptik eines ersten Aufnahmemoduls 101, 103 und einer entsprechend getakteten Zeilenaufnahme; gleiches wird in einem Schritt S5 für eine zweite Abtastoptik 10 eines zweiten Aufnahmemoduls 102, 104 umgesetzt. In einem Schritt S6 wird anschließend der Speicherinhalt der Zeilenaufnahme der ersten und zweiten Abtastoptik in ein Bildmodul eingelesen und dort entsprechend einer Kalibrierung oder Verzerrungsanalyse entsprechend den geometrischem Gegebenheiten der Abtastoptik 10 mit der Abtast-Perspektive 1 korrigiert und entzerrt. In einem Schritt S7 werden dann beide insoweit die streifenrechteck-artigen Umfangsanteile der Radlauffläche 303 wiedergebenden Messungen zusammengefügt zu einem praktisch in Draufsicht rekonstruierten Radlaufumfang. In einem Schritt S8 kann dieser in eine Bildausgabe gegeben werden, ggf. zur oder nach einer elektronischen Bildbearbeitung zur Erhöhung eines Kontrastes oder dergleichen. In einem Schritt S9 kann das Verfahren zur optisch abtastenden Prüfung im Wesentlichen beendet werden unter elektronischer oder manueller Sichtung von Defekten an der Radlauffläche 303.
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Für den Einsatz der Aufnahmeeinheit am Gleis 210 wurden die optischen Komponenten samt Elektronik auf einer Grundplatte montiert und gekapselt. Bei diesem Aufbau erfolgt die Bildakquisition durch zwei runde Öffnungen an einem Gehäuse, die mit schraubbaren optischen Filtern versehen sind. Diese Filter sind optisch farbneutral und sie dienen zum Schutz der Optiken vor Verschmutzung. Sie werden selbst durch eine Metallklappe, die sich mittels eines Aktuators während der Aufnahmen öffnet und danach wieder schließt, verdeckt. So werden die Filter selbst außerhalb der Inspektionszeiten vor Beschädigung und Verschmutzung geschützt. Außerdem wird verhindert, dass im Falle einer Störung in der Steuerung des Lasers der Laserstrahl aus dem Gehäuse austritt.
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Bezugnehmend auf 5 Ansicht (A) detektieren Sensoren Se1 und Se2 einer Eingangssensorik 80 einerseits das Eintreffen eines Rades 300 und starten so die Bildakquisition und andererseits die Radgeschwindigkeit V des Rades 300 bestimmen. Aus der gemessenen Radgeschwindigkeit V wird eine geschwindigkeitsabhänge Taktfrequenz 1/v erzeugt, die als externe Zeilenfrequenz die Zeilenkameras 31 taktet. Dadurch wird eine relativ konstante und geschwindigkeitsunabhängige örtliche Auflösung von z. B. 0,2 mm (d. h. hier fünf Scans/mm) in Fahrtrichtung F entlang des Radumfanges sichergestellt.
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Gemäß Ansicht (B) der 5 kann gleichzeitig der laufende Stand eines Zeilenzählers Z1, Z2 die momentane Position des Rades 300 gegenüber dem Aufnahmemodul wiedergeben. Diese Information wird dazu verwendet, um einen Fokusmotor einer Fokusführung – hier ein Schrittmotor – des Objektivs 32 des optischen Sensors 30 so zu steuern, dass das Rad 300 während der Abtastung im Schärfentiefenbereich des Objektives 32 bleibt – die Schärfenebene an der Abtast-Position AP wird mit dem Rad 300 mitgezogen. Die optische Auflösung der Zeilenkamera 31 – in Zeilenrichtung quer zur Fahrtrichtung – hängt von dem Zeilensensor der Kamera und von dessen Pixelzahl (z. B. im Bereich 1k–2k; quer – bis zu 8k lang) und Pixelgröße ab. Sie bleibt während der Abtastung nicht konstant, da sich die Abbildung mit dem Heranrollen des Rades vergrößert gemäß abnehmender Distanz zwischen Abtast-Position AP und Sicht-Position SP. Durch das Entzerren der Aufnahme, z. B. anhand einer Kalibrierung des messstandes auf einen Radumfang, kann die entstandene Veränderung des Abbildungsmaßstabes mit völlig ausreichender Genauigkeit kompensiert werden.
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Erreicht gemäß Ansicht (C) der 5 der Stand des Zeilenzählers ZZ1, ZZ2 des ersten Aufnahmemoduls das Ende des Abtastbereiches (Ende der ersten Hälfte des Radumfanges), so wird der Fokus zum Startpunkt zurückgeführt und auf das Antreffen des nächsten Rades gewartet; gleichzeitig wird der zweite dahinter angeordnete Aufnahmemodul zum Scannen der zweiten Hälfte des Radumfanges gestartet. Die so aufgenommenen Teilbilder der Radoberfläche werden nach dem Entzerren zusammengesetzt, mit Bildverarbeitungsverfahren in Kontrast und Helligkeit verbessert, so dass daraus relevante Merkmale extrahiert und etwaige Oberflächenfehler detektiert werden können.
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6 zeigt schematisch eine auf der Prüfvorrichtung der 3 basierende Prüfsystemanordnung 1000 mit einem Gleisabschnitt und einem Prüfsystem von vier Prüfvorrichtungen an einem Gleisabschnitt, in Fahrtrichtung hinter einer Kontaktebene. Der oben in 1 und 2 erläuterte Kontakt bildet im wesentlichen eine Kontaktlinie zur Schiene 200 aus, die mit der Radmitte eine Kontaktebene aufspannt. In einem zur Messung ausgelegten Meßabschnitt des Gleisabschnitts hinter einer Kontaktebene – die vorliegend zu Beginn der Messung an der Stelle einer Eingangssensorik positioniert ist – sitzt eine Sicht-Position in Fahrtrichtung gesehen nur vor der Kontaktebene wie dies auch in 1 und 2 gezeigt ist. Grundsätzlich könnte in einer Abwandlung eine Sicht-Position in Fahrtrichtung gesehen jedoch auch nur hinter der Kontaktebene sitzen. Insofern ist das hier beispielhaft erläuterte Konzept unabhängig von der Fahrtrichtung realsierbar. Insbesondere können beide Varianten in einer Prüfsystemanordnung kombiniert werden. Beispielsweise könnte eine erste Sicht-Position einer vorderen Prüfvorrichtung vor und eine zweite Sicht-Position einer hinteren Prüfvorrichtung des Prüfsystemss hinter der Kontaktebene sitzen. Dadurch könnte sich die Prüfsystemanordnung kompakter gestalten lassen.
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Wie in Ansicht (A) der 6 gezeigt ist, sind vorliegend vier Prüfvorrichtungen des Prüfsystems auf einem Träger montiert, der zwischen zwei Gleisen angeordnet ist. Eine Querabmessung des Trägers ist geringer als die Spurweite (d. h. der Gleisabstand zweier Gleise), wobei die Sicht-Position ausserhalb eines Freiraumprofiles des Rades liegt. Vorliegend liegt die Sicht-Position in einem Bereich von bis zu 20 cm unterhalb des Kontakts K zur Schiene 200, vorzugsweise bis zu 10 cm unterhalb des Kontakts, und eine Abtast-Position in einem Bereich von bis zu 10 cm, vorzugsweise 5 cm, über dem Kontakt K zur Schiene 200. Die Schiene selbst ist von der Art einer außerhalb des Messabschnitts einsetzbaren gewöhnlichen Schiene.
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Am Anfang der Abtaststecke befindet sich die Eingangssensorik 80 in Form zweier induktiver Taster am Gleis, von denen einer in Ansicht (B) der 6 als Teil der Eingangssensorik 80 gezeigt ist.
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Zur Fixierung der links bzw. rechtsseitigen Aufnahmemodule 101, 102 bzw. 103, 104 im Gleis 210 dient ein rechteckiger Träger 55 – vorliegend in Form eines Rahmens –, der sich relativ einfach an die Gegebenheiten des Gleisbettes 211 anpassen und zwischen den Eisenbahn-Schienen 201, 202 fixieren lässt. Auf diesem Rahmen sind vier Grundplatten – in jeder Ecke eine Grundplatte in Form der erwähnten Schwenkplatte 49 – angebracht, die für die exakte Ausrichtung der Aufnahmemodule dienen – die hier analog der einer Prüfvorrichtung mit 101, 102 bzw. 103, 104 bezeichnet sind –, wie dies anhand der Abtastvorrichtung 100 erläutert wurde.
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Die Blickrichtung jedes Aufnahmemoduls, d. h. der wird durch das Neigen und Schwenken des Gehäuses des jeweiligen Aufnahmemoduls eingestellt. Dafür wir das Gehäuse mit Hilfe von zwei neigbar einstellbaren Stellschienen 47.1, 47.2 auf eine Schwenkplatte 49 verschraubt, die wiederum mit einer Drei-Punkt-Befestigung durch zwei Langlöcher 48.1, 48.2 – ggfs. mehr Löchern 48.n, hier einem Zentralloch 48 – auf der gegenüberliegenden Seite mit der Platte auf dem Sensor-Montagerahmen des Trägers 55 fixiert wird.
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7 zeigt in Ansicht I eine Rohaufnahme eines defekten Bereichs einer Radlauffläche 303, der beispielsweise in einem Winkelsegment der Umfangsposition UP, wie sie in 2(A) gezeigt ist, auftreten kann; die defekten Bereiche sind deutlich als weiße Stellen zu erkennen und hier manuell gekennzeichnet; gleichwohl kann selbstverständlich auch eine elektronische Bereichskennzeichnung erfolgen. In Ansicht II der 7 ist eine Kontrast erhöhende elektronische Bearbeitung der Rohdaten der Ansicht I gezeigt, so dass hier sehr filigrane Strukturen im Sub-Millimeterbereich erkennbar sind und damit auch Rückschlüsse über die Art der Defekte zulassen. In Ansicht III und vergrößert in Ansicht IV der 7 ist eine schwarz-weiß Darstellung der kontrasterhöhten Auswertung dargestellt, die z. B. zu einer elektronischen automatischen Wiedererkennung genutzt werden kann, um später bei einer Reparatur oder Ausbesserung des Rades behilflich zu sein.
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Durch die unterschiedlichen Anordnungen der Aufnahmemodule 101, 102, 103, 104 im Gleis 210 werden die Radlaufflächen 303 der Räder 300, die sich während der Abtastung den Kameras der Aufnahmemodule 101, 102, 103, 104 nähern, unterschiedlich verzerrt abgebildet. Diese Verzerrung ist trapezförmig verbogen, deren Grad von dem Abstand und der Neigung der jeweiligen Abtastoptik 10, insbesondere Kamera, des Aufnahmemoduls 101, 102, 103, 104 zur Schiene 200 abhängt. Nach dem Entzerren der erfassten Bilder werden diese in ihrem Kontrast verstärkt, so dass die dort vorhandenen Störungen gut sichtbar werden und sich leicht extrahieren oder markieren lassen. Ansicht II zeigt beispielsweise einige Ausbröckelungen, die automatisch detektiert und farblich gekennzeichnet wurden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abtast-Perspektive
- 2
- Fokusdistanz
- 10
- Abtastoptik
- 20
- Tastsignalgeber
- 30
- Sensor
- 31
- Zeilenkamera
- 32
- Objektiv, insbesondereTeleobjektiv
- 33
- Objektivadapter
- 34
- Schutzfilter
- 40
- Richtsystem
- 50
- Positioniersystem
- 40, 50
- Richtungs- und Positioniersystem
- 41
- Grundplatte, insbesondere Sensorgrundplatte
- 42
- Frontplatte
- 43
- Haube
- 44
- Befestigungsplatte
- 45
- Objektivhalter
- 46
- Lasergrundplatte
- 47.1, 47.2
- erste und zweite Stellschiene
- 48.1, 48.2, 48
- Langlöcher
- 49
- Schwenkplatte
- 51
- Tragplatte
- 52
- Bolzen
- 53
- Führsystem
- 54
- Tragrahmen
- 55
- Träger
- 60
- Steuereinrichtung
- 61
- Platine
- 62
- Schnittstelle
- 63
- weitere Schnittstelle
- 71
- Hubmagnet
- 72
- Eisenkern
- 73
- Hebelmechanik
- 74
- Schutzklappe
- 100, 101, 102, 203, 104
- Prüfvorrichtung, Aufnahmemodule
- 200
- Schiene
- 201
- Schienenoberfläche
- 210
- Gleis
- 211
- Gleisbett
- 300
- Rad
- 301
- Radmitte
- 302
- Radachse
- 303
- Radlauffläche
- 304
- Breitenprofil
- 305
- gesamte Breite
- AP
- Abtast-Position
- aR
- abwickelnde Radlauffläche
- B
- Strahlaufweitungsbreite
- F
- Fahrtrichtung
- FW
- Fokuswerte
- K
- Kontakt
- K’, K’’
- Kontakt kurz vor SP
- KL
- Kontaktlinie
- KE
- Kontaktebene
- M
- Messabschnitt, Teil der Messabschnitt
- SP
- Sicht-Position
- hSA
- vertikal-gemessene Abtasthöhe zwischen SP und AP
- hKA
- vertikal-gemessene Abtasthöhe zwischen K und AP
- R
- Tastrichtung
- RS
- Radsekante
- S
- Tastsignal
- Se1, Se2
- Sensoren der Eingangssensorik 80
- UP
- Umfangsposition
- ½U
- halber Radumfang
- φ
- Kippwinkel
- β
- Seitenwinkel
- α
- Steigwinkel
- dM
- Wert
- Z1, Z2
- Zähler
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5654510 [0007]
- EP 0212052 A2 [0009]
- EP 0228500 A2 [0010]
